jueves, 6 de marzo de 2008

Figuras de Lichtenberg o como atrapar un rayo en un bloque

Las figuras de Lichtenberg fueron descubiertas en 1777 por Georg Christoph Lichtenberg, y en ellas se consigue retratrar un suceso que dura del orden de nanosegundos. Es como congelar un rayo de luz, mostrando el recorrido de los electrones a través de un bloque de plástico. Lichtenberg realizó estas figuras originalmente en 2D sobre placas cargadas, y sentó con sus descubrimientos las bases de la xerografía moderna.

Las primeras figuras de Lichtenberg eran, en realidad, dibujos planos (en 2D) formados en polvo sobre una placa cargada en el laboratorio del físico alemán que ideó el método, quien utilizó este sistema de observación para dar demostraciones en sus clases de física. Los principios básicos involucrados en la formación de estas figuras electrostáticas evolucionaron hasta convertirse en la xerografía moderna.

Las figuras de Lichtenberg se pueden hacer hoy en 3D dentro de un polímero aislante. Si este polímero es un plástico transparente luego la figura se puede observar a simple vista. El plástico transparente utilizado en estas figuras es acrílico (polymethyl methacrylate cuyo nombre común es Plexiglas para la fábrica Rohm & Haas y Lucite para DuPont). Se lo eligió por tener mejores propiedades ópticas, buenas propiedades mecánicas y un costo relativamente bajo.

La figura de Lichtenberg se forma irradiando el acrílico con un haz de electrones. Se utiliza un acelerador lineal para producirlo, acelerarlo y enfocarlo en un haz concentrado y de alta energía. Los electrones, acelerados a velocidades relativísticas (cercanas a la velocidad de la luz), tienen una energía cinética de varios millones de electrón-volts (MeV). Se coloca el bloque de acrílico frente al haz y en el aire común. El block recibe el bombardeo de los electrones, que viajan por su interior una distancia determinada por la energía del haz y por la constante dieléctrica del acrílico.

La acumulación de electrones produce una carga espacial negativa que penetra y va quedando dentro del plástico, ya que la carga inyectada no se puede mover libremente dentro de un aislante. Mientras se crea esta carga, el campo eléctrico crece. Se alcanza un punto en que la fuerza del campo eléctrico excede la resistencia dieléctrica del acrílico y entonces se produce una ruptura: se rompen los vínculos entre las moléculas a causa del estrés eléctrico, se produce la ionización y se crean regiones conductoras en el acrílico. La carga espacial sale violentamente del bloque de acrílico, acompañada de un relámpago brillante de luz y un fuerte sonido. El camino de la ionización que recorren los electrones se hace visible como un rayo de tormenta en miniatura que dura menos de 20 nanosegundos.

El camino recorrido por los electrones permanece visible luego de la descarga porque éstos causan fracturas en el material. El punto de salida es un pequeño agujero que aparece en la superficie del acrílico en el lugar donde el estrés concentró el campo eléctrico de la carga espacial. Este punto indica el extremo del camino de menor resistencia de los electrones. Las marcas cristalinas de forma redondeada que se ven en la figura de arriba son fracturas concoidales (la manera característica en que se quiebra un material amorfo que no tiene planos de fractura). La figura de Lichtenberg se forma con fracturas concoidales de tamaño cada vez menor, que siguen una geometría fractal ramificada. La zona no afectada alrededor del perímetro del bloque se debe a que la carga eléctrica no se acumula en áreas cercanas a la interfase de dos dieléctricos diferentes (el acrílico con el aire, en este caso).

Los bloques acrílicos, además, resultan "solarizados" durante la irradiación con electrones. Aparece un tinte amarillento en el lado donde incidió el haz. La solarización ocurre por la formación de zonas de color en el acrílico, que absorbe la radiación ionizante, producida no por el haz de electrones en sí sino por la radiación electromagnética que generan los electrones al ser frenados rápidamente dentro del plástico. Cuando chocan contra el acrílico, los electrones viajan a una velocidad cercana a la velocidad de la luz y tienen que frenar hasta cero en una distancia extremadamente corta. Los electrones tienen una cantidad tremenda de energía que entregar y la entregan en forma de rayos X y gamma, una radiación ionizante que el acrílico debe absorber.

Esta radiación secundaria, llamada Bremstrahlung, o radiación de "frenado", es la que causa la solarización de la muestra. La solarización se desvanece con el tiempo, especialmente si la muestra es expuesta a luz brillante o a temperaturas elevadas.



En Trap Lightning in a Block anotan como puede realizarse también de una forma "casera", aunque menos permanente, similar a como las realizó Georg Christoph Lichtenberg, utilizando polvo de tóner de fotocopiadora o impresora, y cualquier fuente común de electricidad.

En Retratos de Alta Energía se explica bastante bien como se realizan estas figuras.

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